01 DAC替代555

一、555電路提問

前天在公眾號后臺，看到有同學詢問如何提高555定時器電路產生方波信號的精度。

當然，如果提問的同學現在已經對555定時器電路工作原理有了解，也懂得產生方波信號的頻率所依賴的外部阻容器件的關系，那么就可以尋找到提高555定時器電路精度的方法。

▲ 圖2.1.1 NE7555內部功能框圖

影響定時器精度因素可以分為兩個方面。

• 系統誤差 ：也就是影響方波頻率所依賴的555時基電路內部參考分壓電源準確度，定時電阻，電容示值精度等。通常情況下，如果不要求555輸出驅動電流大的情況下，選擇7555系列的CMOS版本的時基電路，工作在5V以上的電壓時產生頻率可以優于5%的信號頻率。
• 隨機誤差 ：包括環境溫度影響外部R,C器件變化，電路噪聲使得輸出方波產生相位抖動等。

為了使得輸出頻率精確達到所需要的頻率，往往需要在外圍電阻上附加一個精密可調電阻，通過硬件調整使得輸出頻率達到需要的精度范圍。

實際上，如果不是因為成本問題，現在使用一個8PIN，甚至6PIN的單片機，產生所需要頻率的方波可能更方便。

二、Smart DAC

在網絡上瀏覽提高555定時器精度文獻時，看到一篇來自于TI的工程應用報告： Considering TI Smart DACs As an Alternative to 555 Timers ^[5]^ 給出了利用TI Smart DAC 實現555的功能的方法。

這款10-bit DAC，型號為DAC53701，號稱Smart DAC，其內部不僅集成DAC所需要的的高精度參考電源，DAC轉換電路、I2C和SPI接口電路，相比于其他DAC，它還有以下特點：

• 內部有掉電保護存儲器保存所有設置參數；
• 具有一個波形發生器，可以產生三角波、鋸齒波、方波信號；
• 輸出緩沖放大器，反饋引腳外部引出。
• 具有可編程輸入端口；

芯片也是8PIN封裝。內部功能參考圖如下圖所示。

▲ 圖2.2.1 DAC53701內部功能框圖

三、實現555功能

由于DAC53701具有內部EEPROM存儲器，通過I2C/SPI設定的功能可以在上電啟動后自動回復。下面給出實現555定時器幾種主要功能的電路配置。

1、輸出方波信號

這部分應用到DAC53701波形發生器的功能。通過設置，使其內部產生三角波信號。相應的頻率由下面公式計算所得：

▲ 圖2.3.3 DAC53701產生PWM波形電路

▲ 圖2.3.4 DAC53701產生的正弦調制的PWM波形

3、施密特比較器

在555電路中，將PIN6（THRESHOLD）和PIN2（/TRIGGER）連接在一起作為輸入，此時555的輸出與輸出之間就是一個帶有滯回特性比較器（Schmitt Trigger），通常用于對信號波形進行整形，或者將原來的模擬信號轉換成高低電平的數字信號。

下圖顯示了555電路作為滯回比較器時對輸入的正弦波轉換成方波的工作波形。

▲ 圖2.3.5 在555集成電路的TRIG/THRESHOLD輸入正弦波，OUT輸出整形后的方波

利用DAC53701的GPI功能，可以將其配置成具有滯回比較特性的Schmitt 比較器。GPI可以用于選擇內部DAC的輸出數值，因此可以改變內部比較器 V+ 的數值。所以把VOUT通過反饋連接到GPI，就可以動態改變內部比較器的參考電壓。設置合適的GPI對應的DAC數值，這個反饋就會形成滯回特性比較特性。反饋回路中的RC濾波可以消除比較器切換過程中的抖動。

▲ 圖2.3.6 設置DAC53701為具有滯回特性的比較器

由于DAC53701內部DAC輸出電壓是可以通過內部寄存器進行配值，所以對應的滯回比較的兩個參考電壓數值是可以改變的。而555定時器的滯回比較電壓只能是工作電源的1/3和2/3。這一點使得DAC43701應用更加靈活。

下圖給出了DAC53701作為滯回比較器時電路各點的電壓信號波形。

▲ 圖2.3.7 DAC53701滯回比較輸出波形

應用滯回特性，再加上R、C電路，可以再次形成單穩態、雙穩態、無穩態電路等。

四、總結

利用DAC53701完成555常見到的功能，不僅具有強的參數配置靈活性，主要的震蕩頻率、滯回電壓等都是內部可編程，不依賴于外部的阻容器件，所以精度很高。比如在室溫下，頻率精度高于優于1%，這比常見到的555定時器電路都要好。

當然，相比于傳統的555電路， DAC53701還具有一定的局限性， 比如它的價格還是偏高，工作電壓范圍比較窄（1.8V - 5.5V），靜態功耗略高于CMOS的555集成電路等。

※ 總 結 ※

本文給出了基于DAC53701來實現555定時器主要功能的方案。在產生信號的精度上，DAC53701具有很大的優勢。